《Science》：北航侯慧龍3D打印鎳鈦合金應力制冷材料

來源：材料科學與工程公眾號，作者：侯慧龍

2019年11月29日，北航侯慧龍副教授以第一作者身份在世界頂級期刊《Science》發(fā)表了最新研究成果，文章標題為《Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing》。論文發(fā)現(xiàn)增材制造應力制冷材料可以實現(xiàn)對具有長壽命、高性能的金屬制冷劑進行獨特的微觀結(jié)構(gòu)控制�？蛊�勞、高性能鎳鈦合金的獲得展示了增材制造在優(yōu)化固態(tài)制冷技術(shù)的潛力。感謝侯慧龍老師為我們導讀本文。

文章鏈接:
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116

空調(diào)和制冷每年消耗全世界約五分之一的電力資源。更高效、更環(huán)保的制冷技術(shù)在最近十幾年發(fā)展迅速 (Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。固態(tài)制冷技術(shù)（包含磁熱制冷、機械熱制冷和電熱制冷及其他）近年來引起關注。

應力制冷（或稱彈熱制冷，是機械熱制冷的形式之一）是通過外應力場的施加和移除可逆地改變材料的晶體結(jié)構(gòu)對稱性以引起材料放熱和吸熱。應力制冷技術(shù)在2012年發(fā)明于美國馬里蘭大學，因其巨大的潛熱效能，在2014年美國能源部統(tǒng)計的取代蒸氣壓縮式制冷的17種可選技術(shù)中居首。同時，應力制冷樣機和應力蓄熱熱泵也在不斷開發(fā)，以期接近實際應用。然而，應力制冷材料的熱力滯后會約束制冷系統(tǒng)的效率，并且其對制冷性能的長期穩(wěn)定性影響尚未得到解決。

增材制造鎳鈦合金能夠制造出高效熱力學性能、超窄滯后的應力制冷材料。通過精巧設計的“工藝-微結(jié)構(gòu)-屬性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉積技術(shù)中的局部熔融和快速冷卻的特點，調(diào)節(jié)元素粉末的比例達到近共熔成分混合，實現(xiàn)在二元合金基體中鑲嵌富鎳的金屬間化合物的納米復合微結(jié)構(gòu)。所獲得的應力制冷材料在準線性應力-應變行為中展現(xiàn)出極小的應力滯后，相比于通常的情況其材料效率提高了4到7倍，并且在一百萬次循環(huán)中擁有可重復的應力制冷性能。

圖一：A. 粉末激光定向能量沉積技術(shù)示意圖；B. 鎳鈦合金相圖；C-H. 作為范例展示，獲得了柱狀、管狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)；F. 等溫加載時各材料行為的對比；G. 絕熱加載時各材料行為的對比；H. 各材料的滯后特性和效率的對比。

先進的原位加載同步X射線衍射表征手段輔以微觀力學模型揭示了二元合金基體和富鎳金屬間化合物的相互作用機制�；�于實驗觀測創(chuàng)建了應力制冷材料輸入能量耗散率與功能失效循環(huán)之間的唯象相關性，并且初步的實驗統(tǒng)計顯示該相關性可普適于固態(tài)制冷材料，首創(chuàng)性地為長壽命材料的制造、選取和工程設計提供科學依據(jù)，對構(gòu)筑高效、穩(wěn)定的固態(tài)制冷技術(shù)具有重要的科學與技術(shù)意義。

圖為增材制造抗疲勞、高性能應力制冷材料的示意圖。（右上）粉末送料機用以提供元素粉末并加以混合，形成近共熔成分；激光在聚焦時提供能量；（中間）混合的元素粉末在激光的作用下熔融，形成局部熔池；隨著局部熔池的不間斷移動，構(gòu)件的不同部位依次形成；（背景）作為范例展示，蜂窩狀構(gòu)件的形狀和高度依次形成。

近日，這項工作發(fā)表在《Science》上。該工作是由北航2019年9月引進的青年教師侯慧龍以第一作者身份在美國馬里蘭大學與其合作者完成，得到了美國能源部高級能源研究計劃署、美國能源部先進制造辦公室、美國能源部科學辦公室、美國國家科學基金會等的資助。后續(xù)即將開展的研究工作將立足于北京航空航天大學，服務于國家在航空航天飛行器特種制冷技術(shù)的重大需求，結(jié)合航空科學與工程學院特色專業(yè)（包括飛行器結(jié)構(gòu)強度和人機與環(huán)境工程），并與材料科學與工程學院、機械工程及自動化學院以及國內(nèi)外相關單位合作進行。